考虑强度速率衰减效应的地震滑坡SPH-FEM模拟

基于SPH和FEM耦合的数值计算方法,引入滑动面摩擦强度的速率衰减模型,提出了一种能够模拟地震诱发滑坡破坏过程的数值模拟方法。基于所提数值方法模拟了唐家山地震滑坡,模拟结果与现场勘查结果及室内试验现象较为一致。基于模拟的滑动面上摩擦系数的演化过程,将唐家山滑坡的发生分为4个阶段:启动阶段、摩擦衰减阶段、低摩擦滑移阶段和逐步稳定阶段。模拟结果表明速度增加和摩擦强度衰减的相互促进,是触发滑体的高速运动的根本原因。提出采用滑体上作用的动摩擦力fd和动下滑力Td的比值R作为判别指标用于判断大型滑坡的启动,当首次出现R小于1时认为滑动面发生整体贯通并出现失稳启动。基于滑动面不同位置摩擦系数的演化,揭示了滑坡启动中滑动面摩擦强度衰减和滑动面的渐进贯通过程,解释了地震作用与滑动面摩擦参数速率衰减效应共同作用触发大型滑坡发生破坏的内在机理。

基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析

泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。

基于SPH方法的二维液舱晃荡特性研究

本文基于流固耦合动力学理论,建立二维液舱晃荡的光滑粒子流体动力学模型,并引入Dummy边界处理固定边界问题。首先,与实验结果对比验证模型的有效性;随后,分析不同横摇激励、多种载液率下自由液面的运动规律,研究液体抨击舱壁产生的压力特性;在此基础上,设计单一隔板和组合隔板等不同制荡结构,探究共振频率、30%载液率下,自由液面形态和壁面冲击压力的特性。结果表明:在共振频率下,横摇幅值对压力峰值的影响最大;随着载液率的增加,壁面抨击压力双峰特性逐渐消失;当隔板尺度较小时,T型隔板更有利于降低压力的整体水平;双T型隔板可有效降低舱底冲击。

基于SPH算法的热仿真系统开发

随着电子设备日益微型化和集成化,热仿真已成为其设计中的关键因素。电子封装模块的热仿真通常使用传统的有限元法FEM(finite element method),存在计算效率和精度之间的矛盾,在处理大变形问题和网格畸变方面也容易造成计算不收敛,从而导致结果错误。针对该问题,提出一种基于光滑粒子动力学SPH(smoothed particle hydrodynamics)算法的电子封装模块热仿真系统。该算法基于无网格拉格朗日数值方法,通过将热仿真对象离散为1组粒子的方式求解热传导方程,从而准确地预测电子封装模块的传热与散热,无需生成并处理大量的微小网格,不用担心网格失真等问题。SPH相对于FEM,仿真精度误差保持在1%~2%,仿真效率可提升近30倍,适合用于复杂和动态系统的模拟仿真。

基于SPH露天台阶的爆破优化

针对露天深孔台阶爆破容易出现块度不均匀、大块率高等问题,运用经验公式法对台阶爆破参数进行计算并确定爆破方案,建立基于光滑粒子流体动力学(SPH)的台阶数值模型,对深孔台阶爆破孔排距共同作用下的岩体损伤情况及孔间应力大小进行研究。结果表明:孔排距会影响炮孔间的应力叠加作用,模拟过程中SPH粒子能良好地模拟出爆破过程中岩石运动状态和岩石损伤范围,当孔间距为8.5 m、排间距为5.0 m,爆破效果最佳。将模拟结果应用于现场试验,大块率较优化前降低了10.3%,块度平均合格率提高了5.2%,现场试验与模拟结果最优爆破方案效果高度一致,说明利用SPH的数值模拟方法研究台阶爆破是合理可行的。研究结果可为相关台阶爆破孔排距选择提供依据和参考。

基于自适应FEM-SPH耦合算法的飞机典型部位破片冲击战伤的数值研究

针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)两者的优势,建立自适应的FEM-SPH耦合模拟方法,并构建2种飞机典型部位的计算模型,采用六面体网格局部细化方法实现了核心位置的精确模拟,并进行试验来验证数值模型;开展了一系列高速冲击战伤模拟,对比了不同工况下破片高速冲击结构后形成的碎片云和破口形貌,并对破片的剩余速度和质量进行分析,确定了破片在结构蒙皮上的临界跳飞角。结果表明:自适应FEM-SPH耦合算法的计算结果与试验结果吻合良好,能够对破片高速冲击战伤进行有效准确模拟;碎片云分布形状随破片速度增加变得狭长,冲击角度会改变碎片云和结构破口形状朝向;碎片云高度和扩散速度随破片速度或角度的变化趋势基本一致并都呈线性关系;破片的速度减少量不随初始速度变化,质量减少量则与冲击速度正相关,两者与冲击角度都负相关;破片临界跳飞角与冲击速度大小基本呈线性关系。

基于SPH方法的空调进气口进水量分析及优化

由于雨刮臂摆动频次与导水槽及空调外循环进风口结构不匹配等因素,部分车型在淋雨工况下,有水滴甚至水流沿空调进风口进入空调系统,导致空调出现异味,甚至有水渗漏进入乘客舱,出现严重的感知质量问题。采用SPH方法,考虑雨刮臂运动、车身姿态及气流效应工况下,借助PreonLab软件仿真,复现某车型淋雨场景下的水管理质量问题,通过在空调外循环进风口位置增加挡板,显著减少了溅入空调箱的雨水量,并在实车淋雨试验中得到验证。方法能在车辆开发阶段发现并整改车辆在淋雨场景下的流通路径设计不合理等问题,可改变目前车辆淋雨场景水管理质量控制主要依托实车测试的现状,也可应用于车辆水管理的其他性能质量的控制,如涉水、雨污等。

基于SPH-FEM转换算法的砷化镓划片损伤过程研究

为了进一步提高半导体激光器巴条制造质量,改善解理加工过程中划片损伤情况,采用SPH-FEM转换算法研究划片速度和载荷对单晶砷化镓(gallium arsenide,GaAs)划片损伤的影响。基于广义胡克定律计算出砷化镓{100}晶面<110>晶向的各向异性机械力学特征参数,采用SPHFEM转换算法仿真金刚石刀头划片实验,将划片过程中损伤的有限元转换为粒子,研究损伤粒子在刀头作用下的运动轨迹,确定出划片的损伤过程。研究表明,该方法较好地解决了传统有限元法大变形区域发生网格畸变所导致的计算误差问题,揭示了不同加工参数对砷化镓材料划片损伤的影响,并得到了实验验证,为脆性材料的划片损伤过程提供了新的途径和思路。

颗粒流运动SPH方法及滑坡破碎效应研究

山体滑坡是全球范围内多发的一种地质灾害。由于滑坡具有突发性和破坏性强的特点,建立有效的数值分析模型将有助于制定针对性的防治策略。本文针对滑坡运动过程中表现出的颗粒流特性,基于μ(I)模型提出了针对浅层滑坡的动态摩擦系数表达式,并构建了对应的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解框架。考虑到颗粒破碎对滑坡运动性的显著影响,结合基于破坏势能的颗粒破碎法则,建立μ(I)模型中基底摩擦力与颗粒分布之间的关系。通过两个经典的三维斜面模型试验,验证了μ(I)模型在滑坡运动分析中的应用价值,并进行了颗粒破碎效应参数敏感性分析,为后续滑坡灾害的防治工作提供参考。

基于SPH-FEM耦合算法的台阶精准爆破延期时间研究及应用

电子雷管在大型露天矿爆破中广泛使用,利用其精准起爆特性通过设置合理延期时间可有效改善爆破质量,对矿山生产降本增效具有重要意义。基于光滑粒子流体动力学—有限单元(SPH-FEM)耦合算法,利用LS-Dyna软件建立了多个巴润矿常规台阶尺寸的三维数值模型。针对电子雷管起爆条件下不同孔间和排间延时分别建立双孔、三孔SPH-FEM三维模型,从矿岩体SPH粒子应力和移动2个维度研究了被爆矿岩体的受力破碎、抛掷位移特征,并重点分析了不同排间延时下后排炮孔爆破漏斗的偏移角度。据此确定了最佳孔间、排间延期时间范围,并通过现场验证对比试验,选出了适合该爆区的最优延时。研究结果表明:在巴润矿现行孔排距条件下利用电子雷管精准起爆,孔间延时在20~30 ms内可达到较好的破碎效果;排间延时大于35 ms时,先爆炮孔为后续炮孔提供新的自由面和抛掷空间,且大于40 ms时应力趋于稳定;在现场验证试验中,试验区内边长1 m以下的破碎矿岩体占比达91%,较非试验爆区中同尺寸岩块占比提高了14%,破碎效果得到有效改善。

基于SPH方法的船体海洋飞沫生成形态模拟

为了研究海洋飞沫的生成形态,采用光滑粒子法(SPH)的粒子捕捉技术,分析4种常见的船首特征对海洋飞沫轨迹的影响。研究发现,船首的设计在飞沫的生成和运动特性上起着决定性作用。球鼻艏和破冰艏通过镇压波浪减少飞沫的覆盖范围,而飞剪艏和前倾艏则利用其独特的流线型设计有效地对飞沫进行引流,但却导致飞沫的生成高度较高,覆盖范围较广。此外,研究还揭示了不同类型的飞沫(如崩波破碎、卷波和激散波破碎)在船首附近的工况和轨迹模式。研究结果可为船舶设计优化及防除冰技术提供重要理论支持。

基于SPH粒子法的汽车高压油箱碰撞CAE计算分析

文章基于汽车车体结构、高压燃油箱及其周围零部件组成的子模型,采用LS-DYNA显式求解器,利用SPH 粒子技术,针对整车正面碰撞、侧面碰撞以及后面碰撞过程中,高压油箱周围变形以及其内部油液的晃动对油箱壳体的影响进行有限元模拟和研究。通过碰撞CAE计算分析,得出碰撞过程中油液晃动对油箱的撞击而产生的应力分布及变化过程,分析油箱的变形、应力、应变分布等情况,可以评估汽车在发生高速碰撞时油箱损伤、破坏情况。最终通过在某整车高速追尾CAE模拟中的应用,再现了油液SPH 粒子的有效作用。

基于DEM-SPH流固耦合的冰区船舶快速性预报

船舶在冰区海域中航行会受到冰水环境阻力的影响,是冰区船舶快速性研究中的重要影响因素。为合理分析冰区船舶的快速性能,该文采用基于离散元(discrete element method,DEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流固耦合模型模拟船舶冰区航行过程,获得不同航速下的船舶阻力和推进力,进一步计算出螺旋桨的推力、扭矩以及定速航行所需的螺旋桨转速等参数。为研究船体结构、海冰与海水之间的流固耦合作用,文中通过SPH粒子与固定粒子边界相对运动的拟合项直接计算固体与流体之间的相互作用力,建立船体结构、海冰与海水耦合的DEM-SPH模型,并基于该模型分别对船舶在冰区的航行阻力和推进力进行模拟,通过拟合的方式匹配航行阻力和推进力,并考虑尾部流场导致的船体阻力增额,从而预报船舶在特定航速下实现自航所需的螺旋桨转速。此外,文中还模拟了DTMB 5415船模在浮冰区和层冰区中航行的阻力和不同螺旋桨转速下的推力,对船模在不同工况下实现特定航速航行所需的螺旋桨转速进行了预报。计算结果表明:DEM-SPH耦合模型对船-冰、桨-冰作用中的流固耦合过程模拟效果出色,可完整描述船体及尾部伴流场对海冰的拖曳作用;通过文中所述阻力-推力模拟算例及强制力的拟合分析,所形成的基于数值模拟方法的船舶自航下螺旋桨转速预报,可为进一步的试验验证和工程应用推广奠定基础。

基于SPH方法的固体火箭发动机殉爆数值模拟研究

针对固体火箭发动机的殉爆现象,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法开展了固体火箭发动机殉爆过程的数值模拟研究,分析了主发发动机爆炸初期的爆轰产物膨胀过程,以及被发发动机在不同条件下受爆轰产物冲击的响应情况。结果表明:采用SPH方法模拟爆炸冲击响应时,计算结果与传统的任意拉格朗日欧拉(ALE)方法吻合较好,在保证相同仿真精度时,计算效率可提高约37.5%;主、被发发动机排列方式相同时,间距越小,发动机尺寸越大,殉爆响应程度越剧烈;主、被发发动机间距一定时,平行排列方式较垂直排列方式更容易发生殉爆。平行排列时,150 mm直径发动机的临界殉爆距离在80~100 mm之间,大于100 mm直径发动机的临界殉爆距离60~70 mm;垂直排列时,100 mm直径发动机的临界殉爆距离在50~60 mm之间。研究结果提供了一种用于殉爆数值模拟的方法,对固体火箭发动机的安全贮存和使用具有一定参考价值。

Modeling Near-Field Impulsive Waves Generated by Deformable Landslide Using the HBP Model Based on the SPH Method

Landslide-generated impulsive waves(LGWs)in reservoir areas can seriously threaten waterway safety as well as hu-man life and properties around the two side slopes.The risk reduction and mitigation of such a hazard require the accurate prediction of near-field wave characteristics,such as wave amplitude and run-up.However,near-field LGW involves complicated fluid-solid interactions.Furthermore,the wave characteristics are closely related to various aspects,including the geometry and physical features of the slide,river,and body of water.However,the empirical or analytical methods used for rough estimation cannot derive accurate results,especially for deformable landslides,due to their significant geometry changes during the sliding process.In this study,the near-field waves generated by deformable landslides were simulated by smoothed particle hydrodynamics(SPH)based on multi-phase flow.The deformable landslides were generalized as a kind of viscous flow by adopting the Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)-based nonNewtonian rheology model.The HBP model is capable of producing deformable landslide dynamics even though the high-speed sliding process is involved.In this study,an idealized experiment case originating from Lituya LGW and a practical case of Gongjiafang LGW were reproduced for verification and demonstration.The simulation results of both cases show satisfactory consistency with the experiment/investigation data in terms of landslide movement and near-field impulsive wave characteristics,thus indicating the applicability and accuracy of the proposed method.Finally,the effects of the HBP model’s rheological parameters on the landslide dynamics and near-field wave characteristics are discussed,providing a parameter calibration method along with sug-gestions for further applications.

基于PCISPH的流体粒子飞溅改进方法

流体飞溅是自然界中最常见的流体现象。流体模拟是计算机图形学的一个重要研究分支。流体模拟已经广泛应用于电影、游戏和其他工业数值领域。由于飞溅场景中流体的密度和压力的速率变化非常大,因此模拟对离散化解的精度要求很高。对于流体粒子飞溅模拟数值不稳定,且缺乏真实效果,针对经典的预测校正不可压缩SPH(PCISPH),该文提出了基于粒子表面流体飞溅改进的泊松压力解的方法,通过替换压力源项提高了模拟精度。实验结果表明,该方法中流体的压力分布较之经典方法更接近现实的流体粒子飞溅模拟效果,并且改进后的方法经过剧烈运动后帧率仍符合实时性仿真效果的要求,保证了良好的压力稳定性和真实感。该文通过Anaconda3集成Python3和Taichi环境实现流体仿真实验。

基于FEM-SPH耦合的卷辊式耕层残膜回收部件结构优化与试验

针对棉田耕作层内残膜力学性能差及膜土分离困难,残膜拾净率低和回收的残膜含土量高等问题,该研究对卷辊式残膜回收部件进行优化。在分析起膜捡膜工作过程和建立卷辊弹齿与膜土团聚体之间动力学关系的基础上,采用有限元法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)耦合算法,建立卷辊弹齿-膜土团聚体接触计算模型,探究卷辊弹齿与膜土团聚体之间相互作用机理,分析卷辊弹齿接触膜土团聚体后残膜受力程度和土壤扰动程度的变化规律。以卷辊回转半径、弹齿直径、弹齿顶端折弯角为试验因素,以残膜平均峰值应力及土壤最大应变为指标开展仿真试验,分析各因素对指标的影响规律并对卷辊弹齿结构参数进行优化,获得卷辊弹齿最优结构参数为:卷辊回转半径100 mm、弹齿直径5 mm、弹齿顶端折弯角42°,此时残膜平均峰值应力为0.1201 MPa,土壤最大应变为3.7584。为了验证优化后卷辊弹齿的捡拾作业性能,以拾净率和含土率为试验指标进行田间试验,结果表明:机具拾净率为80.34%,含土率为37.13%,与初代研制的样机相比拾净率提升了8.74个百分点,含土率下降了12.18个百分点,机具作业性能明显提升且试验指标达到设计要求。本文建立的有限元模型可为残膜回收机关键部件的结构优化提供参考。

基于SPH方法的围油栏仿真研究

为解决计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法在模拟围油栏围控溢油时流-固耦合、水-油液体两相流中的不稳定性、计算效率差、将自由表面视为滑移壁且不考虑围油栏移动等问题,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法建立适用于围油栏围控溢油的固-液耦合、液体两相流数值模型,将5种不同裙摆结构的围油栏导入两相液体相互作用的数值仿真模型中,通过SPH代码设定数值模拟相关参数,提高计算效率,得到较精确的围油栏滞油长度与溢油失效步长。结果表明:围油栏围控溢油能力与上、下裙摆高度比及裙摆角类型有关,上裙摆高度占比越大,围油栏的滞油表现越好;前折角型围油栏的滞油表现优于前转角型围油栏;滞油长度与油品性质有关,油品的密度和黏度越小,围油栏的滞油长度越大。

基于SPH方法的沉箱开孔位置对消浪效果的影响

为了更深入地理解沉箱结构对波浪传播和反射的影响,对波浪与开孔沉箱相互作用进行数值模拟研究,为探究消浪效果最佳的沉箱上部开孔位置,通过基于SPH方法建立的数值波浪水槽,分析了3种不同开孔位置对反射系数Kr、波面高度变化、涡量场及流场的影响,总结了不同开孔位置对消浪效果的影响。研究发现当上部开孔的顶端在水下0.08 m时沉箱反射系数Kr最小,沉箱外的波面高度变化最小,开孔沉箱开孔处的涡量消耗的总量最大,流场变化最大是其他2种开孔位置的1~2倍,同时沉箱内波面最为平静,消浪效果最好。所得结论对开孔沉箱实际工程中消浪效果研究具有一定的参考意义。

基于SPH模型的尾矿库溃坝风险模拟研究

作为一种具有高势能的危险源,尾矿库可能发生溃坝事故,进而产生泥石流,造成严重的人员伤亡和经济损失。传统的深度积分方法在模拟泥石流演进过程时存在局限性,而光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)是一种新型的数值模拟方法,可以弥补传统方法的缺陷。以攀枝花市某尾矿库为例,构建溃坝泥石流的SPH模型,模拟不同工况下泥石流的演进过程,获得泥石流的流量数据,研究溃口宽度与深度对泥石流演进特征的影响。模拟结果与实际情况较为吻合,因此SPH模型可以有效模拟尾矿库溃坝风险。研究结果为尾矿库安全管理和风险防控提供新方法,有利于保障人民群众的生命财产安全,促进矿业可持续发展。